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1、过程控制工程课程设计说明书题 目：高炉热风炉空气流量控制系统设计学生姓名：学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：指导教师： 目 录前 言21 工艺过程概述31.1 热风炉在高炉炼铁过程中作用31.2热风炉基本概况31.2.1热风炉规格31.2.2 热风炉操作条件41.2.3国内热风炉优化控制现状42 高炉热风炉冷风流量控制系统设计62.1热风炉工艺流程62.2系统设计方案82.2.1控制方案82.2.2控制要求82.3设备及控制器仪表的选型92.3.1流量变送器92.3.2流量控制器102.3.3变频器112.3.4鼓风机112.3.5速度传感器123 总结12参考文献13 前言 钢铁是现代社
2、会最重要的原材料之一，钢铁工业往往是国家的支柱产业之一，钢铁的产量和质量是一个国家发达程度和经济实力的重要标志。现代化的钢铁联合企业，都以生产规模相匹配的生产流程为基本形式，高炉处于流程中间环节，起着承上启下的重要作用。高炉是整个炼铁工序的核心，炼铁需要的原料包括铁矿石、焦炭、热风即加热后的空气，热风炉将空气加热形成热风，热风与焦炭反应生成大量的一氧化碳来还原铁。热风炉是炼铁生产过程中的重要设备。在高炉炼铁的生产过程中, 需要向高炉鼓入大量的高温空气, 促进和改善冶炼过程。热风炉的作用就是加热进入高炉的空气, 创建和维持高炉内部良好的冶炼环境, 将铁矿石还原为铁水。在高炉炼铁的生产过程中, 使
3、用高风温又是热量的一个重要来源。高炉生产的技术提高和鼓风流量有着密切的关系, 是冶炼过程中非常活跃的因素。 热风炉的操作主要包括两大部分，即燃烧控制和自动换炉。正常操作时，两座热风炉为一组进行换炉，按规定的温度换炉，当热风温度或废气温度达到给定值时，自动或人工发出指令，正在燃烧的热风炉进行“燃烧、焖炉、送风”自动换炉，送风开始的同时，正在送风的热风炉进行“送风、焖炉、燃烧”自动换炉，也可以按规定的时间换炉。热风炉的燃烧过程分为燃烧期和蓄热期。在燃烧期内，在限定燃烧时间和热风炉拱顶温度后，应快速达到规定拱顶温度，通常采取设定废气含氧量或空然比，将煤气量开到最大调整空气量，这样缩短燃烧期延长蓄热期
4、，使热风炉内存储较多的热量，降低送风时风温的波动。在蓄热期内，维持煤气量不变，逐步增加空气量，使拱顶温度维持为设定值，由于废气量的增加，加强了废气与格子砖的热交换，使蓄热量增加，当废气温度达到设定值，减少煤气量和空气量。热风炉废气温度不能超过规定的界限，否则炉蓖子支柱将被损坏，使炉体寿命降低，而且使热损失增加。由于高炉大型化，需要高风温和较大风量，因此要求热风炉提供稳定的、满足高炉生产需要的、具有一定温度和流量的热风，而且要节省能源，故发达国家的热风炉都装有完善的自动化系统，即完善的基础自动化系统，带有数学模型并对基础自动化系统进行优化设定的过程自动化。通过比较国内外过程控制优化数学模型，经济
5、适用的智能控制是首选，并且在小型热风炉自动燃烧控制上有成功经验。 1 工艺过程概述1.1 热风炉在高炉炼铁过程中作用 热风炉提供的热风是高炉冶炼的基础,提供的热量大约占高炉全部热收入的15%-20%。高风温可以改善高炉下部热制度,提高能源利用效率,但同时热风炉本身消耗燃料,其消耗约占高炉工序能耗的13%。钢铁企业一直致力于热风炉高风温技术的开发和应用,重点从改善热风炉燃烧效率、降低工序能耗、提供稳定高风温等方面进行研究,在确保风温1250 的前提下,适应不同生产条件变化,形成一系列热风炉高风温技术,如热风炉余热回收、转炉煤气(LDC)烧炉、富氧烧炉、计算机模型烧炉等。 热风炉将来自经布袋除尘后
6、的高炉煤气和来自助燃风机的助燃空气引入燃烧室中燃烧, 将蓄热室的耐热球加热到一定温度后, 停止燃烧, 转换到送风状态,风机通过冷风管道向蓄热室鼓入冷风, 冷风和耐热球在蓄热室中进行热交换后, 变为热风, 热风经热风管道通过高炉风口进入高炉, 参与高炉内部的冶炼反应。在整个工艺流程中, 热风炉有3种工作状态: 烧炉状态、焖炉状态和送风状态。热风炉工作时, 始终周期性地在这3个状态之间切换, 切换主要是通过对各种阀门的操作完成。一般一台高炉配备3-4座热风炉,采用二烧一送的烧炉制度。热风炉所装备的各阀均由液压缸驱动。热风炉以单纯高炉煤气为燃料, 利用烟气预热助燃空气, 助燃空气由2台助燃风机提供。
7、正常情况下, 助燃风机一用一备, 交替使用。1.2热风炉基本概况1.2.1热风炉规格 高炉热风炉按工作原理可分为蓄热式和换热式两种。蓄热式热风炉，按热风炉内部的蓄热体分球式热风炉(简称球炉)和采用格子砖的热风炉，按燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种，提高热风炉热风温度是高炉强化冶炼的关键技术。如何提高风温，是业内人士长期研究的方向。常用的办法是混烧高热值煤气，或增加热风炉格子砖的换热面积，或改变格子砖的材质、密度，或改变蓄热体的形状(如蓄热球)，以及通过种种方法将煤气和助燃空气预热。蓄热式格子砖热风炉是目前现代高炉、尤其是大高炉最常用的热风炉形式。优点:换热温度高、热利用率高、工作风
8、量大，适合于大高炉生产需要。 缺点:体积大，占地面积大，购置成本高。换热式热风炉，主要是使用耐高温换热器为核心部件，此部件不能使用金属材质换热器，只能使用耐高温陶瓷换热器，高炉煤气在燃烧室内充分燃烧，燃烧后的热空气，经过换热器，把热量换给新鲜的冷空气，可使新鲜空气温度达到1000度以上。优点:换热温度高，热利用率高，体积小，购置成本低。使用预热炉进行助燃空气预热的现代热风炉。缺点:换热温度没有蓄热式高，使用规模较小。如新日铁式外燃热风炉：加热面积(每座):约7630m2;格子砖高度:350l0mm;燃烧器型式:3 孔陶瓷燃烧器。1.2.2 热风炉操作条件 被预热空气量最大为790Nm3/min
9、(包含富氧)；送风温度最大为1310(但风量在7210Nm3/min以下)；送风压力最大为0.51 MPa (送风机最高排出压力)；拱顶温度最大为1450 (耐火材料设计温度(1550)；废气温度为300-350；助燃空气最大流量为0-97500Nm3/h；混合煤气最大流量为0- 104000Nm3/h；煤气温度最大为350；冷风温度约150(热风炉入口)。1.2.3国内热风炉优化控制现状 我国热风炉控制系统的优化进展很快。在20世纪90年代，热风炉燃烧控制比较简单，操作工手动控制阀门，通常把助燃风机风量开到最大，然后调节煤气量，根据炉内温度指示，控制拱顶温度和废气温度。这种调节过程完全依靠人
10、工，操作时好时坏，效果不理想，送风温度很难提高，同时由于依靠阀门调节，助燃风机全速运行，煤气量波动很大，得不到充分地燃烧，造成能源严重浪费，环境污染。随着热风炉的大型化和企业竞争的加强，控制系统不断地改进，首先是实现自动换炉，然后引入热风炉燃烧控制，国内热风炉燃烧控制方法在各钢企取得成功，相关的研究和应用如下:燃烧控制专家系统。高炉热风炉的流量及自动换炉的优化设定专家系统，其特点是不要求完善的基础自动化和复杂、昂贵的分析仪表，根据实际情况，专家系统自动设定热风炉各燃烧期的煤气和空气流量，在达到废气温度管理期时，自动计算剩余加热时间和按此自动修正设定的流量，系统同时还按实际预热煤气和空气温度与预
11、定值之间的偏差和换炉的剩余蓄热量，以及使用热风温度和流量，自动修正热风炉的各燃烧期的流量或换炉时间，此外还能在预热空气压力变化时自动修正空气阀门位置。但这种专家系统控制方法存在主要缺点是，在实际应用过程中会遇到专家系统普遍存在的知识获取瓶颈的难题，控制规则的归纳和提取是比较困难的，而且专家系统开发软件较贵，整个控制系统的成本比较高。模糊控制。针对热风炉燃烧系统的复杂性、参数不确定性和非线性，以及热风炉燃烧控制过程存在的问题，结合国内外实际操作经验，通过分析拱顶温度变化与最佳空燃比关系及废气温度变化与煤气流量关系，开发基于模糊控制的热风炉燃烧控制模型，构成两个模糊控制器，根据拱顶温度调节的最佳空
12、燃比模糊控制器和根据废气温度调节的最佳煤气流量模糊控制器。最佳空燃比模糊控制器分为两个阶段初期和后期，分别采用不同的控制输入和控制规则，该系统在涟钢5号高炉热风炉(中小型热风炉)实际应用中，取得了良好效果。废气温度自适应模糊控制。热风炉燃烧系统的燃烧期可以分为快速燃烧期和拱顶温度管理期两个阶段。在快速燃烧期，以最大煤气量加热，保证热风炉温度快速上升，达到拱顶温度设定目标，这时开始拱顶温度管理期。在管理期需要保持拱顶高温，以便使蓄热室完成充分蓄热。管理期热风炉燃烧的控制重要而复杂，从管理期进入模糊自适应的控制，要求废气温度按恒定速率上升，蓄热室完成充分蓄热，最大限度提高煤气利用率，当废气温度达到
13、设定值时停止加热，这时马上开始送风。为了保证送风开始与废气温度正好达到设定值的一致，在控制系统中废气温度上升速率作为控制量，最高拱顶温度被设定为限制条件，煤气流量为调节量，空气流量根据空燃比来调节。热风炉燃烧自动控制方法还有基于模糊神经网络的控制算法以及采用仿人控制策略实现热风炉燃烧的优化控制方法等。但是比较上述国内外的成功案例，我们发现热风炉控制系统的应用并不普遍，究其原因对于专家系统计算复杂、需要测量点繁杂、设备投资巨大;对于智能控制系统相对简单，但每一个系统都有其个性，需要对控制规律和操作规则进行深入研究，因此面对我国热风炉的操作水平和自动化应用现状以及维护水平的实况，开发适合于我国实际
14、情况的、成本较低的且便于推广的热风炉自动控制系统。2 高炉热风炉冷风流量控制系统设计2.1热风炉工艺流程 在高炉冶炼工程中，热风炉是给高炉冶炼提供热风的重要设备。热风炉的作用就是把鼓风加热到要求的温度后送入高炉炉内，从而通过燃烧焦炭把铁从铁矿石中还原出来。热风炉按“蓄热”原理工作，在燃烧室里燃烧煤气，高温烟气通过格子砖并使之受热，当格子砖充分加热后，热风炉就可以改为送风，此时有关燃烧系统各阀门关闭，送风系统各阀门打开，冷风经格子砖加热后送至高炉内部。现代热风炉是一种蓄热式热交换器。如图2.1为内燃蓄热式热风炉，炉内分成燃烧室(又称火井)、蓄热室两个主要部分，两室由耐火砖隔墙分开。燃烧室是个燃烧
15、的通道；蓄热室内充填格子砖作为贮热体；格子砖有若干垂直的孔道即格孔；目前使用的格子砖主要是整体穿孔砖，板状砖很少使用。格子砖由下边的铸铁炉算子和支柱撑托。蓄热式热风炉每个循环工作周期包括燃烧期和送风期。工作原理的实质，就是燃料在燃烧过程加热格子砖，格子砖将燃烧热量储备起来；当转为送风期后，格子砖再将热量传递给冷风，冷风加热升温后送人高炉炼铁。图2.2为热风炉的工艺过程。燃烧期：主要任务是将热风沪格子砖加热到一定温度。此时关闭冷风人口和热风出口，按一定比例将煤气和空气从燃烧器送人，煤气燃烧，燃烧产物即废气也叫烟气，经格子砖由出口过烟道从烟囱排放，废气流动过程将格子砖加热到需要的高温，然后转入送风期。送风期：主要任务是将鼓风机送来的冷风加热到10001200送人高炉。此时燃烧器和烟气出口关闭，冷风入口和热风出口打开，由鼓风机经冷风管道送来的冷风通过格孔时被加热，热风经热风出口和管道送人高炉。经过一段时间后，格子砖蓄存的热量减少，进入的冷风不能加热到预期的温度，这时就由送风期再次转入燃烧期。一座热风炉经过燃烧期和送风期即完成了一个循环，热风炉就是这样燃烧和送风不断循环地工作着。1-煤气管道；2-煤气阀；3-燃烧器；4-燃烧室；5-热风管道；6-热风阀；7-大墙；8-炉壳；
